Overzicht Aardbevingen: een basis 6e Creatieve Sessie Geokunststoffen toepassen bij aardbeving bestendig bouwen Siefko Slob De impact van aardbevingen Hoe ontstaan aardbevingen? Wat is een aardbeving? Hoe worden aardbevingen gemeten? Wat zijn de effecten en gevolgen? Hoe bepaal je het gevaar van aardbevingen? Hoe bepaal je de grondbeweging? Hoe ontstaan aardbevingen in Nederland? Wat is er aan de hand in Groningen? 2 De impact van aardbevingen Balakot Balakot, Pakistan Kashmir aardbeving M 7,6-8 oktober 2005 3 4 5 6 1
Muzaffarabad 7 8 Hoe ontstaan aardbevingen? Door plaattektoniek en vulkanische activiteit Door menselijke activiteit 9 10 11 12 2
Menselijke activiteit Geïnduceerde aardbevingen Verschuiven van breuken die niet op spanning staan Gaswinning Vullen van grote waterreservoirs Getriggerde aardbevingen Verschuiven van breuken die al op spanning staan injectie van afvalwater en stimulatie tbv geothermie en schaliegas 13 14 Wat is een aardbeving? Een voortplantende golfbeweging die wordt veroorzaakt door beweging langs een breuk (Eng: Fault) Aardbevingsgolf bestaat uit: Body waves Surface waves 15 16 Bodywaves: Drukgolf: P-wave Schuifgolf: S-wave San Andreas breuklijn 17 18 3
Surface waves (oppervlaktegolven) Love waves Rayleigh waves Snelheid van P- en S-waves 19 20 Hoe wordt de kracht van een aardbeving gemeten? Magnitude schaal Magnitude schaal: instrumentaal (seismograaf) Richter (Local) Magnitude (ML), Moment Magnitude (MW) Maat voor hoeveelheid energie die vrijkomt Logaritmische schaal Intensiteit schaal: op basis van ervaring en schade European Macroseismic Scale (EMS-98) Modified Mercalli Intensity (MMI) Medvedev Sponheuer Karnik Scale (MSK-64) 21 22 Intensiteit schaal EMS-98 Intensiteit schaal EMS-98 23 24 4
Wat zijn de effecten en gevolgen Directe effecten Indirecte effecten 25 Directe effecten van aardbevingen Beweging aanhet maaiveld en in de ondergrond Vaak treedt amplificatie op door grondopbouw In sommige gevallen treedt resonantie op Uitgedrukt/gemeten in PGA, PGV, Sa, Sv Verweking van zand en silt liquefaction (Tijdelijk) verlies van draagkracht - hellinginstabiliteit Opdrijven van ondergrondse ojecten Permanente grondverplaatsing: zetting, squeezing Verplaatsing (lateraal/vertikaal) langs de breuklijn 26 Mexico City 1985, M 8,1 Indirecte effecten van aardbevingen Vloedgolven (Tsunami, Seiche) Helling instabiliteit vaak in relatie met verweking Lateral spreading vaak in relatie met verweking Topografische amplificatie 27 28 Alaska 1964, M 9,2 Niigata 1964, M 7,6 29 30 5
Tohoku 2011, M 9,0 Haïti 2010, M 7,0 31 32 Kobe 1995, M 7,0 Tohoku 2011, M 9,0 33 34 El Salvador, Las Colinas, 2001 Taiwan 35 36 6
Nieuw Zeeland 2010 M 7,0 Tohoku 2011, M 9,0 37 38 Hoe bepaal je het gevaar van aardbeving? Definitie van gevaar (Eng: Hazard): (aanvaardbare) kans van optreden als functie van tijd en locatie Hazard analyse: Deterministisch (DSHA: Deterministic Seismic Hazard Analysis) Probabilistisch (PSHA: Probabilistic Seismic Hazard Analysis) 39 40 Deterministisch Uitgaan van maximum credible earthquake Effecten van individuele scenario s Alleen in seismisch actieve gebieden waar de breukbewegingen goed bekend zijn Conservatief Meestal voor zeer kwetsbare objecten, zoals kerncentrales Probabilistisch Uitgaan van alle mogelijke aardbevingen ooit opgetreden: catalogus Alle onzekerheden worden meegenomen: tektonisch model magnitudes attenuatie Voor verschillende herhalingstijden te bepalen, dus geschikt voor alle mogelijke objecten met verschillende kwetsbaarheid 41 42 7
Basis elementen van een PSHA (1) Basis elementen van een PSHA (2) 1. Definitie van het seismisch model: bestuderen van de seismo-tectonische setting en aardbevingscatalogus: Identificeer alle seismische bronnen Modelleer seismische bronnen: punt, lijn (breuk) of gebied Karakteriseer elke bron: type breuk beweging, maximum Magnitude Evaluatie van bronnen in termen van frequentie-magnitude relaties (Gutenberg- Richter) 2. Evaluatie en selectie van Ground Motion Prediction Equation (GMPE) passend bij de bronnen en seismo-tectonische setting 3. Berekenen (integrereren) van het probabilistisch gevaar met behulp van (computer) modellen 4. Het gevaar wordt vervolgens uitgedrukt in de vorm van seismic hazard curves: Uniform Response Spectra (URS) PGA, PGV, Sa, Sv 43 44 Onzekerheden in PSHA Aleatorische variabiliteit de natuurlijke willekeurigheid van een proces voor discrete waarden: de kans van optreden van elke waarde voor continue variabelen: kansdichtheidsfunctie Epistemische onzekerheden onzekerheden als gevolg van onvolledige kennis van het proces de wetenschappelijke onzekerheid over het model alternatieve modellen 45 46 Vastleggen van de epistemische onzekerheden Met een logische beslisboom (Eng: logic tree) Onzekerheden over seismische zones Onzekerheden in GMPE Bij elke onzekerheid worden alternatieve opties gepresenteerd. Subjectieve waarden worden vervolgens toegekend aan elke vertakking 47 48 8
Spectral acceleration S_a / g [-] 14/04/2017 Resultaat van een PSHA (acceptable) probability of exceedance (p) within a design life (t L ) return period (herhalingstijd) (T R ) 1 % 1 jaar: 100 jaar herhalingstijd Voorbeelden 10% probability of exceedance within 50 years: 475 year return period 5% probability of exceedance within 50 years: 975 year return period 2% probability of exceedance within 50 years: 2,475 year return period 0.5% probability of exceedance within 50 years: 10,000 year return period 49 50 10% probability of exceedance in 50 years (475 yr) Hoe bepaal je de grondbeweging en impact op object? horizontale grondbeweging (Eng: site effect) grootste veroorzaker van schade Bepalen van ontwerp spectra mbv nationale en internationale normen Site-specifieke dynamische (numerieke) analyse 1D Equivalent Linear 1D/2D Non-linear 3D coupled/uncoupled 51 52 1.4 1.2 1 0.8 Bepalen van site effecten 1D equivalent linear obv 3D grondmodel 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Period T_e [s] Normen en standaarden De internationale norm: performance-based approach Eurocode 8: Nationale annexes IBC: International Building Code (USA) ISO 19901-2:2004/API: petroleum industrie PIANC: havens/waterbouw Amerikaanse normen: ASCE 7 (2010) : http://www.asce.org/structural-engineering/asce-7-and-sei-standards/ NEHRP (2009): http://www.nehrp.gov/ Nationale normen 53 54 9
Performance-based approach Engineering judgement (codes) Hazard 55 56 57 58 Hoe ontstaan aardbevingen in Nederland? Tektonisch: Limburg en Noord-Brabant Geïnduceerd: Groningen (Drenthe/Noord-Holland) 59 60 10
61 62 Roerdal Slenk structuur Extensie, normale breukbeweging Actieve breuken: Peelrand Feldbiss Heerlerheide Benzenrader, Kunrader Grootste aardbevingen: 1930 Uden (M 5,0) 1992 Roermond (M 5,8) Seismic hazard map NL 10% 50 years (475 yr) 63 64 Geïnduceerde aardbevingen Door mijnbouw activiteiten Niet alleen in Groningen Mechanisme achter de aardbevingen in Groningen meer dan 50 jaar gasproductie, 200 putten drukval in het gasreservoir (differentiële) compactie (bodemdaling) opbouw van rek in reservoir gesteente plotselinge beweging langs breuken seismiciteit 65 66 11
67 68 Grootste geïnduceerde bevingen in NL JJMMDD Tijd Locatie Lat Lon Diepte (km) M L 20120816 203033,28 Huizinge 53,3450 6,6720 3,0 3,6 20010909 065812,52 Alkmaar 52,6510 4,7130 2,0 3,5 20060808 050400,05 Westeremden 53,3500 6,6970 3,0 3,5 19970219 215350,81 Roswinkel 52,8320 7,0380 2,0 3,4 19980714 121202,23 Roswinkel 52,8330 7,0530 2,0 3,3 19940921 011258,13 Alkmaar 52,6580 4,7080 2,5 3,2 20001025 181034,79 Roswinkel 52,8320 7,0520 2,3 3,2 20010910 043015,43 Alkmaar 52,6530 4,7120 2,0 3,2 20081030 055429,08 Westeremden 53,3370 6,7200 3,0 3,2 20110627 154809,71 Garrelsweer 53,3030 6,7870 3,0 3,2 20130207 231908,97 Zandeweer 53,3890 6,6670 3,0 3,2 20150930 180537,20 Hellum 53,2340 6,8340 3,0 3,1 20111009 043342,84 Noordzee 53,2810 3,8850 3,0 3,1 KNMI, 2016 (10% 50 yrs, 475 yr) 69 70 Huizinge beving - 16 augustus 2012, M 3,6 71 72 12
73 74 www.witteveenbos.com 13